地球物理方法在球狀風化體中的應用

曾樹新

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507）

1 基本概況與地球物理條件

1.1 地質概況

某工地位于中山市，勘察外業鉆探時發現某區域孤石發育，最大孤石可達8 m。場地內覆蓋土層為填土、黏性土和花崗巖殘積土，基巖為花崗巖。孤石為微風化花崗巖，孤石下有全、強風化層，全、強風化層下為微風化花崗巖。在現有鉆孔孔位的基礎上，利用跨孔彈性波CT、電磁波CT和管波探測3種探測方法在孔內進行探測。

1.2 地球物理條件

跨孔彈性波CT法的前提條件是場地內各巖土層的密度和彈性波速度均有一定的差異。土層縱波波速Vp為1 500 m/s～2 500 m/s，全（強）風化花崗巖縱波波速Vp為2 500 m/s～3 500 m/s，中（微）風化花崗巖的縱波波速Vp為3 500 m/s～5 500 m/s。孤石為微風化花崗巖，與土層、全（強）風化巖存在明顯的波速差異。這種物性差異的存在，為使用跨孔彈性波CT法探查孤石提供了較好的物性條件，場地具備應用跨孔彈性波CT法的地球物理條件[1]。

電磁波 CT 法的應用與電磁波吸收系數與介質的電阻率、磁導率、介電常數以及電導率的頻率有關。不同介質對電磁波的吸收存在差異。土層、全（強）風化巖、中（微）風化巖的電阻率、介電常數、電導率和磁導率等均存在差異。當電磁波穿過土層、全（強）風化巖時，吸收系數就會表現為“高值”異常；當電磁波穿過中（微）風化巖時，吸收系數就會表現為“低值”異常[2]。場地具備應用電磁波CT法的地球物理條件。

管波探測的前提條件是場地內各巖土層的密度和彈性波速度均有一定的差異，即存在明顯的波阻抗差異。當巖土層中存在明顯的波阻抗差異界面時，管波時間剖面中除存在明顯的直達波組外，還存在明顯的反射波組，即剖面中的傾斜波組。通過分析反射管波的波幅特征，探測波阻抗差異界面，來對界面的解釋，推斷孔旁地層情況[3]。場地具備應用管波探測法的地球物理條件。

2 地球物理方法的選用

2.1 物探工作量

其中JC65-1～ JC65-4為探測區域橋墩位置的4個鉆孔，4個鉆孔的連線組成封閉的四邊形，在4個鉆孔中進行3種物探方法的探測。這次物探采用的是跨孔彈性波CT法、電磁波CT法和管波探測法。完成工作量如下：1）跨孔彈性波CT法（1 m點距）：6對剖面，共計5 464個檢波炮點；2）、跨孔彈性波CT法（0.5 m點距）：6對剖面，15 456個檢波炮點；3）電磁波CT法（1 m點距）：6對剖面，3 403對射線；4）電磁波CT法（0.5 m點距）：6對剖面，13 379對射線；5）管波探測法：4孔，共計探測長度103.4 m，點距0.1m，共計1 038個探測點。

2.2 跨孔彈性波CT

跨孔彈性波CT工作時將1個鉆孔作為發射孔，在發射孔中按一定間距（0.5 m或1.0 m）發射高頻彈性波。將另一個鉆孔作為接收孔，在接收孔中按一定間距（與發射點間距相同）接收彈性波。通過發射孔和接收孔之間交叉網狀的彈性波觀測走時射線，通過讀取各發射點發射到各接收點的彈性波（聲波）初至走時的數值，反演計算出2個鉆孔間的波速影像。通過波速影像結合地質資料進行綜合分析，來說明斷裂破碎帶的邊界和產狀、巖土分界面以及巖溶的邊界、產狀、發育與分布情況。

跨孔彈性波CT具有較高的勘探精度，通過采取必要的技術措施，勘探精度可達CT剖面跨孔間距的1/20～1/30 用分數的形式表示。整個采集過程嚴格遵循相關作業指導書的要求，每對孔的測試開始前，根據2個鉆孔的地質情況選擇基巖比較完整的鉆孔作為發射鉆孔，更能激發高頻彈性波，提高勘探精度。

該跨孔彈性波CT測量，采樣間隔為20.833 μs，記錄長度為64 ms。濾波為低切280 Hz。每對剖面按點距0.5 m、1 m進行了2次測量。

2.3 電磁波CT

電磁波CT 利用一定頻率的電磁波作為發射源，當其掃描地下地質體所取得的參數被接收機接收后，利用電磁波在不同介質中吸收系數具有差異的特點，通過數學處理后，反演出介質吸收系數的分布情況，從而得到地下地質體的精細結構和性質差異圖像[4]。電磁波CT探測時，以1個鉆孔為發射孔，另1個鉆孔為接收孔。按固定間距設置激發點和接收點。對于每個激發點，接收孔內都有對應的接收點進行接收。電磁波透射觀測系統示意圖與地震CT觀測系統示意圖類似。將發射天線放入發射孔底部（記下深度），同時將接收天線放入鉆孔底部。

設置儀器參數，儀器進入采集狀態時，采集器采集信號后通知接收端技術人員將發射電纜往上提固定距離后，再使用采集器采集信號。循環此操作過程直至接收電纜至孔口位置。當對應同一個激發點的接收孔數據采集完成之后，發射天線上升到固定距離，接收天線依次從孔口按固定間隔下降至孔底并采集數據，重復上述步驟直到發現天線提至孔口，數據采集工作結束。

該電磁波CT法對每對剖面都按點距0.5 m、1 m進行了2次測量。

2.4 管波探測

管波探測法一般采用自激自收觀測系統，其收發探頭間距0.6 m，測點間距為0.1 m，測試方式按從下向上進行。野外數據采集過程中，對采集的管波信號進行實時監控，所采集的波形要求圖質清晰、波形正常，發現波形畸變立即進行重復觀測，2次觀測相對誤差小于2%。并填寫好野外班報表。該工作采用14 J發射能量、采樣頻率50 kHz、前放增益1倍。

3 成果分析

3.1 跨孔彈性波CT

圖1、 圖2分別為JC65-1～JC65-2～JC65-4～JC65-3～JC65-1點距1 m、0.5 m時的反演波速影像圖。可以看出：覆蓋土層主要為素填土和粉質黏土等。跨孔彈性波CT剖面范圍內覆蓋層總厚度為12.5 m～17.5 m，覆蓋土層波速為1 500 m/s～2 500 m/s；基巖面存在明顯起伏；孤石周邊為全（強）風化巖，其縱波波速為2 000 m/s～3 500 m/s；孤石為微風化花崗巖，其縱波波速為4 000 m/s～5 000 m/s；孤石在圖中表現為高速異常；點距0.5 m和點距1 m的彈性波CT成果反映的基巖埋深和孤石分布范圍基本吻合，但點距為0.5 m時，彈性波CT反映的孤石形態更清晰，對細節的反映更好。

圖1 1 m點距反演波速影像圖

圖2 0．5 m點距反演波速影像圖

相對于微風化基巖，孤石波速較低，且波速分布不均，在波速映像圖中表現為出現條帶狀的顏色分布不均的區域，且分布較凌亂，孤石完整性相對于基巖較差，推測由節理裂隙發育引起。

3.2 電磁波CT

圖3、圖4 分別為JC65-1～JC65-2～JC65-4～JC65-3～JC65-1點距1 m、0.5 m時的反演吸收系數等值線圖。結論如下：電磁波CT吸收系數等值線圖中，基巖的吸收系數最低，為0～5 dB/m，分布在高程為-18 m以下的區域；孤石的電磁波系數相對較低，為4 dB/m～8 dB/m，分布在高程為-12 m～-16 m的區域，如圖中該區域兩側；土層、全強風化巖的電磁波系數系數相對較高，為5 dB/m～10 dB/m，分布在高程為-12 m以上的區域；點距0.5 m和點距1 m的電磁波CT成果反映的基巖埋深和孤石分布范圍基本吻合，但點距0.5 mCT反映的巖面、孤石形態更清晰，對細節的反映更好。

圖3 1 m反演吸收系數等值線圖

圖4 0．5 m反演吸收系數等值線圖

與微風化基巖相比，孤石吸收系數較高，且分布不均，在吸收系數等值線圖中表現為出現顏色深淺不一、凌亂且不均的區域，孤石的完整性比基巖差，推測由節理裂隙發育引起。

3.3 管波探測

管波探測法可有效查明孔內直徑2 m范圍內的孤石分布情況。管波探測結果如下：孤石表現為直達波能量強、存在振幅較小的傾斜反射波組或者無傾斜反射波組，解釋為節理裂隙發育段、完整基巖段；強風化花崗巖表現為直達波能量弱、解釋為軟弱巖層；微風化花崗巖表現為直達波能量強、存在振幅較小的傾斜反射波組、或無傾斜反射波組，解釋為完整基巖段。

對比鉆孔柱狀圖和管波成果，管波探測法具有更精細的分層能力。如JC65-3鉆孔標高-14.99 m～-19.29 m段，鉆探揭露為“強風化夾中風化花崗巖：青灰色，粗粒花崗結構，塊狀構造，巖石的節理裂隙很發育，巖芯多呈碎塊狀、短柱狀，多為強風化土狀，不均勻夾中微風化巖芯，巖質較硬，巖芯采取率約為10%”。管波成果將標高-14.99 m～-15.39 m段解釋為軟弱巖層、標高-15.39 m～-15.99 m段解釋節理裂隙發育段、標高-15.99 m～-17.29 m段解釋為軟弱巖層、標高-17.29 m～-18.09 m段解釋節理裂隙發育段、標高-18.09 m～-19.29 m段解釋為軟弱巖層。管波探測法可有效查明薄夾層的分布。

4 結論與建議

4.1 探測方法對比

該物探采用的是跨孔彈性波CT法、電磁波CT法和管波探測法等物探方法查明了場地內的巖面孤石分布情況。跨孔彈性波CT能查明巖面埋深及起伏情況、孤石的分布范圍及形態；電磁波CT能查明基巖面埋深及其起伏情況，但是對孤石的反映較差；管波探測法可有效查明孔內直徑2 m范圍內的孤石分布情況。點距0.5 m比點距1 m的彈性波CT、電磁波CT反映的孤石形態更清晰，對細節的反映更好。綜合對比各物探方法，跨孔彈性波CT法和管波探測法對孤石的探測最有效。

4.2 場地結果劃分

場地內全（強）風化巖埋深約為12 m～18 m、標高約為-6.5 m～-13 m，微風化花崗巖埋深約為22 m～26 m、標高約為-16.5 m～-21 m。場地孤石為微風化花崗巖，在跨孔彈性波CT和電磁波CT剖面中分別表現為“地震波高波速”、“電磁波低吸收系數“特征。孤石的縱波波速為4 000 m/s～5 000 m/s、電磁波系數吸收為4 dB/m～8 dB/m。綜合各物探方法成果及鉆探資料，推斷孤石頂埋深約為12.5 m～17m、標高約為-7 m～-12 m，孤石底埋深約為21 m～23 m，標高約為-16 m～-18 m，孤石區厚度約為3 m～11 m。

4.3 建議

孤石下臥全（強）風化巖，且孤石的完整性比微風化基巖差。評估樁基持力層的安全性，建議以微風化基巖作為樁基持力層進行評估。